挖掘實驗潛能 培養創新意識
2011-12-31 00:00:00許貽平
中學教學參考·理科版 2011年8期
物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗在我們的教學過程中占有極其重要的地位。重視實驗，力求實驗的新、奇、險、趣是取得教學成功的關鍵，同時在教學過程中，我們還要注意對實驗進行縱深拓展，挖掘實驗潛能，從而激發學生的創新意識，培養學生的創新能力，最大限度地發揮實驗的功效。下面就兩個初中物理實驗向同行介紹自己在實驗中的一些做法和感受，以此拋磚引玉。
一、伏安法測電阻
伏安法測電阻是初中物理電學內容中一個很重要的實驗，基本上可以認為是之前做過的所有電學實驗的綜合，因為這個實驗幾乎用到了所有的常規電學器材：電流表、電壓表、滑動變阻器等等；對這個實驗進行縱深挖掘，是我們每個初中物理教師值得注意的問題。
1.實驗電路的選擇
通常用伏安法測電阻的實驗電路有兩種：一種是電流表的外接法（簡稱“外接法”），另一種是電流表的內接法（簡稱“內接法”）。理想電流表的內阻很小，可以認為是0，理想電壓表的內阻無限大，可以認為在電路中沒有電流通過，但實際的電流表是有一定的電阻的，電壓表的電阻也不是無限大，所以不管是外接法還是內接法測電阻，根據R＝U/I求出的電阻值都存在一定的誤差。
①如圖1甲是電流表外接實驗電路圖。
圖1 用伏安法測電阻的兩種接法
在這種接法中，由于電流表測的是待測電阻R與電壓表的電流之和，所測得的電流值要比真實通過待測電阻R的值要大，由伏安法測電阻的計算原理R＝U/I可知，計算出的阻值比電阻的真實值偏小。一般學生實驗用的電壓表的內阻在幾千歐左右，如果待測電阻R的阻值較小，根據并聯電路的分流原理，通過電壓表的電流相比待測電阻的電流要小得多，幾乎可以忽略不計，近似地認為電流表的讀數就是通過待測電阻的電流。所以用伏安法測電阻時，如果待測的電阻阻值較小的話，應該采用外接法，這樣測得的結果誤差相對較小。
②如圖1乙是電流表內接實驗電路圖。
在內接法中，電壓表所測的是待測電阻R與電流表的總電壓，電壓表的讀數比待測電阻兩端的實際電壓要大，由伏安法測電阻的計算原理R＝U/I可知，計算出的阻值要比電阻的真實值偏大。一般學生實驗用的電流表的內阻小于1歐，如果待測電阻的阻值較大，根據串聯電路的分壓原理，電流表分去的電壓很小，幾乎可以忽略不計，近似地認為電壓表的讀數就是待測電阻兩端的電壓。所以用伏安法測電阻時，如果待測的電阻阻值較大的話，應該采用內接法，這樣測得的結果誤差相對較小。
綜上所述，在應用伏安法測電阻時，為了減小誤差，在待測電阻的阻值與電壓值的內阻相比，要小得多的情況下，宜用外接法；在待測電阻的阻值與電流表的內阻相比，要大得多的情況下，宜用內接法。作為一名物理教師這是應該明白的。從學生系統地掌握串聯電路的分壓原理與并聯電路的分流原理，提高學生綜合運用所學知識解決實際問題能力的角度考慮，應該與學生共同分析探究這兩種接法的區別，在與學生共同探究的過程中，培養學生的創新意識和能力。
2.實驗方法的縱深挖掘
圖2
測電阻用伏安法，在初中階段似乎只此一途，別無他法，其實不然。作者在教學過程中就曾提出過這樣的問題：根據伏安法測電阻的原理R＝U/I，必須要測出電壓和電流，需要的實驗器材起碼應該有電壓表和電流表。但如果沒有電壓表，是不是就測不出待測電阻的阻值呢？如果能夠測量的話，還需要添加什么器材，電路應該怎樣設計，最后根據什么公式計算出電阻？如果不提出這樣的問題，很少有學生想到沒有電壓表照樣也能測電阻，這樣就把實驗方法推向了縱深，學生也會因此對此問題產生濃厚的興趣和探索熱情，從而激發學生的創新意識，知識應用的能力也會因此得到提高。圖2是經教師引導后，學生畫出的實驗電路圖，其中的電阻R0是一個已經知道阻值的定值電阻，開關S斷開時電流表的讀數為I1，開關閉合后電流表的讀數為I2。通過開關的斷開與閉合電流表讀數的不同，就可以運用所學知識計算出待測電阻R的阻值為I1 R0/( I2－I1)。沒有電壓表照樣解決了測量電阻的難題，以此類推，學生自然想到了沒有電流表也能測出待測電阻的方法，這就是對實驗進行縱深挖掘帶來的，在常規教學中難以達到的教學效果。
常規的伏安法測電阻實驗方案，解決了方便取多組數據的問題，形象直觀，學生易于理解和接受。縱深挖掘的實驗方案在缺少電壓表（或電流表）的情況下，很好地解決了測量電阻的問題，同時也使學生在這一探究活動過程中，綜合運用知識的能力得到了鍛煉和提高，對學生創新意識及其能力的培養是大有好處的。
二、決定導體電阻大小的因素
我們都知道：導體的電阻決定于材料、長度和橫截面積，還跟導體的溫度有關，在研究這些決定因素時我們采用的是控制變量法。現行的人教版本是通過用小燈泡的亮度變化來顯示電路中的電流大小變化的，進而判斷電阻線的電阻大小。
1.用電流表代替小燈泡
八年級物理下冊（人教版）對于電阻概念的引入是通過小燈泡的發光明亮程度來比較得出的，教材安排的決定電阻大小因素的探究實驗也是通過小燈泡發光的明亮程度來進行研究的，燈泡發光的明亮程度完全是憑人的直覺，對于前后兩次燈泡發光程度差不多的情況，學生有可能會判斷失誤，從而影響探究的結論。所以在選擇電阻線材料時要考慮到這一點，確保前后兩次燈泡發光有明顯的差異，比如研究電阻與長度的關系時，選擇的兩根電阻線除了材料和橫截面積相同外，長度要有顯著的區別，以確保小燈泡前后兩次發光的明暗有明顯的不同。燈泡發光的明亮程度可以反映電路中電流的大小，電流表的讀數也能夠反映電流的大小，可不可以用電流表來代替小燈泡呢？答案是肯定的。問題是，如果教師在教學中不加以引導的話，學生不一定能夠提出這樣的問題，教師還要在實驗教學中與學生共同分析小燈泡與電流表各自的優劣：小燈泡發光給學生強烈的感官刺激，對電阻決定于導體的材料、長度和橫截面積及溫度會留下很深的印象，但如果前后兩次燈泡發光差異不是太大的話，可能會出現判斷失誤；電流表可以很好地解決這個問題，電路中電流的微小變化也可以通過指針的偏轉來體現，但感官刺激方面就沒有小燈泡來得強烈了。通過分析比較，學生不僅掌握了研究物理問題的技能，同時也了解了實驗器材的選用對于研究結論的重要性，所以與學生共同分析這些差別，對我們實施創新教學就顯得十分必要。
2.電源電壓
在這個探究實驗中，電源電壓高低對探究結論的影響，可能是很多物理教師都沒有注意到，在實驗中我們發現給電阻線通電后，張緊的電阻線變得松弛了，用手摸一摸有一點燙手的感覺，表明通電后它的溫度升高了。當然，它的溫度升高量，并不是十分明顯，并不影響我們探究電阻跟材料、長度和橫截面積的關系，但是我們還是應該與學生共同分析電源電壓的高低對實驗結論的影響：電源電壓過高，電阻線發熱升溫，即控制溫度不變就難于做到，電源電壓越高，對實驗結論的影響就越大。因此本實驗在不影響學生觀察比較小燈泡發光的明亮程度的情況下，電源電壓宜低，不宜高。讓學生站在科學家探究物理問題的角度來體會科學探究方法——控制變量法，從而培養學生實事求是、科學嚴謹的態度和精神。
(責任編輯 易志毅）
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